深入学习 G1回收器和JVM：混合回收（6）

混合回收可以总结为两个阶段：

• 并发标记：

  • 目的是识别老生代分区中的活跃对象，并计算分区中的垃圾对象占空间的多少，用于垃圾回收过程中判断是否回收分区。

• 垃圾回收：

  • 和新生代回收步骤一致，重用了新生代回收的代码，最大的不同就是回收的时候不仅仅回收新生代分区，同时回收并发标记中识别的垃圾多的老生代分区。

并发标记算法详解

并发标记算法是混合回收中最重要的算法。并发标记指的是标记线程和mutator线程并发运行。
并发标记算法设计了4个指针

1. Bottom：底部位置
2. Prev：指向上次并发处理后的地址
3. Next：指向并发标记开始之前内存已经分配成功的地址
4. Top：在并发标记开始后，如果有新的对象分配，可以移动top指针，使top指针指向当前内存分配成功的地址。

• Next和Top之间就是Mutator线程新增的对象使用的地址。
• 假设Prev之前的对象已经标记成功，在并发标记的时候从根出发，不仅仅标记Prev和Next之间的对象，还标记Prev之前的活跃对象。当并发标记结束之后，只需将- Prev指针设置为Next指针即可开始新一轮的标记处理。

• 并发标记引入两个位图：

  • PrevBitMap：记录Prev指针之前的内存标记状况
  • NextBitMap：表示整个内存到next指针之前的标记状态

并发标记开始之前：

TAMS指的是Top-at-Mark-Start，并发标记结束后，NextBitMap标记了分区对象的存活情况。假定位图中黑色区域表示堆分区中对应的对象还活着，在并发标记的同时Mutator继续运行，所以Top会继续增长。

第二次标记开始，将NextBitMap值赋给PrevBitMap，将Next指针位置设置为Prev，将Top指针位置设置为Next指针。

并发标记结束状态

并发标记第二次开始前的状态

并发标记第二次结束状态

并发标记算法的难点

主要是GC在标记的时候，mutator线程可能正在改变对象的引用关系图，从而造成漏标和错标。

• 错标：不会影响程序正确性，只是会产生浮动垃圾
• 漏标：可能会导致可达对象被当成垃圾回收掉，从而影响程序的正确性。

三色标记法

三色标记法是一个逻辑上的抽象，将对象分成三种颜色

• 白色：表示还没有被收集器标记的对象
• 灰色：表示自身已经被标记到，但其拥有的field字段引用到的其他对象还没被处理
• 黑色：表示自身已经被标记到，且对象本身所有的field引用到的对象也已经被标记。

对象在并发标记阶段会被漏标的充分必要条件是：

1. Mutator插入了一个从黑色对象到该白色对象的新引用，因为黑色对象已经被标记，如果不对黑色对象重新处理，那么白色对象将会被漏标，造成错误。
2. Mutator删除了从灰色对象到该白色对象的直接或间接引用，因为灰色对象正在标记，字段引用的对象没有被标记，如果这个引用的白色对象被删除了（引用发生了变化，那么这个引用也有可能被漏标）。

要避免漏标，只要打破上面任意一个即可

• 通过增量更新算法关注对象的引用插入，把被更新的黑色活着白色的对象标记为灰色，打破第一个条件。
• SATB关注引用的删除，即在对象被复制前，把老的被引用对象记录下来，然后根据这些对象为根重新标记一遍，打破第二个条件。

混合回收的步骤

1. 第一阶段：并发标记

   1. 初始标记子阶段
   2. 并发标记子阶段
   3. 再标记子阶段
   4. 清理子阶段

2. 第二阶段：垃圾回收

   1. 初始标记子阶段：负责标记所有直接可达的根对象（栈对象，全局对象，JNI对象等），根是对象图的起点，因此需要将Mutator线程暂停，需要一次STW。
   2. 并发标记子阶段：当YGC结束后，如果发现满足并发标记的条件，并发线程就开始并发标记。根据新生代的Survivor分区以及老生代的RSet开始并发标记。并发标记的时机是在YGC后，只有达到InitiatingHeapOccupancyPercent阈值后，才会触发并发标记。InitiatingHeapOccupancyPercent默认值是45，表示的是当已经分配的内存加上即将分配的内存超过内存总容量的45%就可以开始并发标记，并发标记会对所有分区进行标记，且并不需要STW。

   3. 再标记子阶段：是最后一个标记阶段，需要一个STW，找出所有未被访问的存活对象，同时完成存活内存数据计算。要结束标记，需要满足三个条件：

      1. 从根（Survivor）出发，并发标记子阶段已经追踪了所有的存活对象。
      2. 标记栈是空的。
      3. 所有的引用变更都被处理了；这里的引用变更包括新增空间的分配和引用变更，新增的空间所有对象都认为是活的，引用变更处理SATB。

  最后一个阶段很难达成，如果不STW，应用会不断的更新引用，产生新的引用变更，则会永远无法结束标记。

1. 清理子阶段：需要一个STW，清理子阶段主要执行以下操作：

   1. 统计存活对象：这是利用RSet和BitMap完成的，统计的结果将会用来排序分区gion，以用于下一次CSet的选择；根据SATB算法，需要把新分配的对象，都视为活跃对象。
   2. 交换标记位图：为下次并发准备
   3. 重制RSet：此时老年代分区已经标记完成，如果标记后的分区没有引用对象，这说明引用已经改变，这个时候可以删除原来的RSet里的引用关系。
   4. 把空闲分区放入分区列表中：这里的空间指的是全都是垃圾对象的分区，如果分区还有任何分区活跃对象都不会释放，真正的释放是在混合GC中。

  清理操作不会清理垃圾对象，也不会执行存活对象的拷贝。

1. 混合回收阶段的分析：选出若干个分区，将这些分区存活的对象复制到空闲的分区去，同时把这些已经被回收的分区放入空闲分区列表
2. 并发标记的正确性分析：目的是为了识别老生代分区使用的情况，在下一次回收的时候优先选择垃圾比较多的分区进行回收。

GC活动图

并发标记是依赖于YGC，即并发标记发生前一定有一次YGC。在并发标记结束之后，会更新CSetChooser，此时如果在发生GC，则判断是否能够进行混合GC，混合GC的条件是上次发生的YGC不包含初始标记，并且CSetChooser包含有效的分区。

参数优化

• 参数InitiatingHeapOccupancyPercent（简称为IHOP，默认值为45，这个值是启动并发标记的先决条件，只有当老生代内存占总空间45%之后才会启动并发标记任务。增加该值，将导致并发标记可能花费更多的时间，也会导致YGC或者混合GC收集时收集的分区变少，但另一方面就有可能导致FGC。根据经验这个值通常根据整体应用占用的平均内存来设置，可以把该值设置得比平均内存稍高一些，此时性能最好（即YGC/混合GC比较快，且FGC比较少）。那么如何得到应用程序在运行时的内存使用情况？可以打开G1PrintHeapRegions观察内存的分配和使用情况，另外JVM提供了一个诊断选项G1PrintRegionLivenessInfo，打开该选项，可以查看到内存的使用情况。IHOP的设置非常有用，但是设置合理的IHOP并不容易，需要不断地尝试。
• 参数G1ReservePercent，默认值为10，当发现GC晋升失败导致FGC，可以增大该值。
• 参数ConcGCThreads为并发线程数，默认值为0，如果没有设置则动态调整；使用ParallelGCThreads（前文介绍过推断依据）为依据来推断。ConcGCThreads=（ParallelGCThreads+2）/4，最小值为1，如果发现并发标记耗时较多可以增大该值，注意增大该值会导致Mutator执行的吞吐量变小。
• 参数HeapSizePerGCThread，默认值为64M，可以简单地理解为每64M分配一个线程。
• 参数UseDynamicNumberOfGCThreads，默认为false，打开该值表示可以动态调整线程数；调整的依据会根据最大线程数、HeapSizePerGCThread等确定。
• 参数ForceDynamicNumberOfGCThreads，默认为false，打开该值表示可以动态调整，和UseDynamicNumberOfGCThreads功能类似。
• 参数G1SATBBufferSize，默认值为1K，表示每个STAB队列最多存放1000个灰色对象，注意这里不是SATBqueueset的大小。
• 参数G1SATBBufferEnqueueingThresholdPercent（默认值是60），表示当一个队列满了之后，首先进行过滤处理，过滤后如果使用率超过这个阈值把队列送入到queueset并新分配一个队列。
• 参数MarkStackSize和MarkStackSizeMax，在32位JVM中设置为32k和4M，64位JVM中设置为4M和512M。如果没有设置可以启发式推断参数，确保MarkStackSize最小为32k（或者和并发线程参数ParallelGCThreads正相关，如ParallelGCThreads=8，则32位JVM中MarkStackSize=8×16k=128K，其中16k是队列的大小），这个参数是并发标记子阶段中用到的标记栈的大小。
• 参数GCDrainStackTargetSize，默认值为64，表示并发标记子阶段处理时为了保证处理的性能，一次标记的最多对象个数。
• 参数G1MixedGCLiveThresholdPercent，默认值85，用于判断分区能否被加入到CSet中，低于该值将会被加入。
• 参数G1HeapWastePercent，默认值5，即当CSet中可回收空间的占总空间的比例大于G1HeapWastePercent才会开始混合收集。
• 参数G1MixedGCCountTarget，默认值为8，这个参数越大，收集老生代的分区越少，反之收集的分区越多。要保持老生代分区在CSet中的比例超过1/G1MixedGCCountTarget。
• 参数G1OldCSetRegionThresholdPercent，参数默认值是10，即一次最多收集10%的分区。
• 参数G1ConcMarkStepDurationMillis，默认值为10，表示每个并发标记子阶段每次最多执行10ms。
• 参数G1UseConcMarkReferenceProcessing，默认值为true，打开表示在并发标记的时候可以标记引用。
• 在打开引用处理时，每次标记处理引用的对象数由G1RefProcDrainInterval控制，默认值为10。
• 参数ClassUnloadingWithConcurrentMark，默认值为true，打开表示在并发标记的时候可以卸载已经加载的类。